La matière noire est-elle constituée de trous noirs ?

Diverses observations astronomiques indiquent que affaire ordinaire, que nous pouvons voir ou toucher, ne représente que 5 % du bilan massique et énergétique total de l’univers. Mais dans la Voie Lactée, pour chaque kilogramme de matière ordinaire présent dans les étoiles, il y a 15 kilogrammes de matière ordinaire. matière noirequi n’émet pas de lumière et interagit uniquement par son attraction gravitationnelle.

«La nature de la matière noire reste un mystère. La plupart des scientifiques pensent qu’il est constitué de particules élémentaires inconnues”, dit-il. Przemek Mroz de l’Observatoire Astronomique de l’Université de Varsovie, premier auteur de deux articles publiés dans Nature Et Série de suppléments de revues astrophysiques qui offrent une réponse à la question rapportée dans le titre de cette news. “Malheureusement, malgré des décennies d’efforts, aucune expérience – y compris celles menées avec le Large Hadron Collider – n’a trouvé de nouvelles particules qui pourraient être responsables de la matière noire.”

Depuis la première détection d’ondes gravitationnelles générées par la fusion d’une paire de trous noirs en 2015, les expériences Ligo et Virgo ont détecté plus de 90 événements de ce type. Les astronomes ont remarqué que les trous noirs sont généralement détectés de cette manière. beaucoup plus massif (20 à 100 masses solaires) que celles connues auparavant dans la Voie lactée (5 à 20 masses solaires). “Expliquer pourquoi ces deux populations de trous noirs sont si différentes est l’un des plus grands mystères de l’astronomie moderne”, explique Mróz.

Une explication possible suggère que les détecteurs Ligo et Virgo ont découvert une population de trous noirs primordiaux qui pourraient s’être formés au début de l’univers. Leur existence a été proposée pour la première fois il y a plus de 50 ans par le célèbre physicien théoricien britannique Stephen Hawking et, indépendamment, par le physicien soviétique Yakov Zeldovich. “Nous savons que l’univers primitif n’était pas idéalement homogène : de petites fluctuations de densité ont donné naissance aux galaxies et aux amas de galaxies d’aujourd’hui”, explique Mróz. “Des fluctuations de densité similaires, si elles dépassent un contraste de densité critique, peuvent s’effondrer et former des trous noirs.”

Depuis la première détection d’ondes gravitationnelles, un nombre croissant de scientifiques émettent l’hypothèse que ces trous noirs primordiaux pourraient constituer une fraction importante, sinon la totalité, de la matière noire. Cette hypothèse peut être vérifiée avec des observations astronomiques. Il existe d’abondantes quantités de matière noire dans la Voie Lactée. S’il était composé de trous noirs, nous pourrions les détecter dans notre voisinage cosmique. Est-il possible de le faire, étant donné que les trous noirs n’émettent aucune lumière détectable ? Absolument oui.

Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, la lumière peut être courbée et courbée par le champ gravitationnel d’objets massifs, un phénomène appelé microlentilles gravitationnelle. “Le microlentilles se produit lorsque trois objets – un observateur sur Terre, une source de lumière et une « lentille » – s’alignent prospectivement de manière idéale dans l’espace », explique-t-il. Andrzej Udalski, chercheur principal par Ogle (Expérience de lentille gravitationnelle optique). «Lors d’un événement de microlentillesla lumière de la source peut être courbée et amplifiée et nous observons une augmentation temporaire de la luminosité de la source.”

La durée de cette augmentation de luminosité dépend de la masse de l’objet lentille : plus la masse est grande, plus l’événement est long. Les événements de microlentilles celles des objets de masse solaire durent généralement quelques semaines, tandis que celles des trous noirs cent fois plus massifs que le Soleil durent quelques années.

L’idée d’utiliser le microlentilles la gravité pour étudier la matière noire n’est pas nouveau. Il a été proposé pour la première fois dans les années 1980 par l’astrophysicien polonais Bohdan Paczyński. Son idée a inspiré le début de trois expériences importantes: le Polonais Ogle, le Macho américain et le Français Eros. Les premiers résultats de ces expériences ont montré que les trous noirs moins massifs que la masse du soleil peuvent représenter moins de 10 % de la matière noire. Ces observations n’étaient cependant pas sensibles aux événements de microlentilles sur des échelles de temps extrêmement longues et n’étaient donc pas sensibles aux trous noirs massifs, similaires à ceux récemment détectés par les détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Dans le nouvel article publié dans le magazine Série de suppléments de revues astrophysiquesles astronomes d’Ogle présentent les résultats d’une la surveillance photométrique a duré environ 20 ans 80 millions d’étoiles appartenant à une galaxie proche, le Grand Nuage de Magellan, et la recherche d’événements de microlentilles gravitationnelle. Les données analysées ont été collectées au cours des troisième et quatrième phases du projet Ogle, de 2001 à 2020. «Cet ensemble de données fournit les observations photométriques les plus longues, les plus larges et les plus précises des étoiles du Grand Nuage de Magellan dans l’histoire de l’astronomie moderne.» dit Udalski.

Le deuxième article, publié le Natureillustre le conséquences astrophysiques des découvertes. «Si toute la matière noire de la Voie Lactée était composée de trous noirs de 10 masses solaires, nous aurions détecté 258 événements sombres microlentilles», explique Mróz. «Pour des trous noirs de 100 masses solaires, nous attendions 99 événements de microlentilles. Pour des trous noirs de 1000 masses solaires, 27 événements de microlentilles».

Au contraire, les astronomes d’Ogle ont découvert seulement 13 événements De microlentilles. Leur analyse détaillée montre que tous ces événements peuvent être expliqués par des populations stellaires connues dans la Voie Lactée ou le Grand Nuage de Magellan, et non par des trous noirs. “Cela indique que les trous noirs massifs peuvent représenter au plus quelques pour cent de la matière noire”, explique Mróz.

Des calculs détaillés montrent que les trous noirs de 10 masses solaires peuvent contenir au maximum 1,2 pour cent de la matière noire, les trous noirs de 100 masses solaires 3 pour cent de la matière noire et les trous noirs de 1 000 masses solaires 11 pour cent de la matière noire.

«Nos observations indiquent que les trous noirs primordiaux ne peuvent pas constituer une fraction significative de la matière noire et, en même temps, expliquer les taux de fusion des trous noirs mesurés par Ligo et Virgo », conclut Udalski.

Donc, Plus d’explications sont nécessaires sur les trous noirs massifs détectés par Ligo et Virgo. Selon une hypothèse, ils se seraient formés à la suite de l’évolution d’étoiles massives à faible métallicité. Une autre possibilité implique la fusion d’objets moins massifs dans des environnements stellaires denses, comme les amas globulaires.

En savoir plus:

• Continuer à lire Série de suppléments de revues astrophysiques l’article « Profondeur optique des microlentilles et taux d’événements vers le Grand Nuage de Magellan basé sur 20 ans d’observations OGLE » par Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Mateusz Kapusta, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona et Milena Ratajczak
• Continuer à lire Nature l’article « Pas de trous noirs massifs dans le halo de la Voie lactée » de Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona et Milena Ratajczak